Международный коллектив ученых выявил фундаментальную взаимосвязь между квантовыми эффектами и архитектурой искусственного интеллекта. В ходе исследования, проведенного при участии Института нанотехнологий Национального исследовательского совета Италии, было доказано, что фотоны в специализированных оптических схемах способны имитировать функционирование нейронных сетей. Детали работы опубликованы в авторитетном научном издании Physical Review Letters.
Исследователи установили, что при прохождении через интегральные фотонные цепи идентичные частицы света спонтанно выстраиваются в структуру, идентичную сети Хопфилда. Эта математическая модель ассоциативной памяти является одним из столпов теории когнитивных процессов и современных нейросетевых технологий.
«Вместо привычных полупроводниковых компонентов мы задействовали квантовую интерференцию — процесс наложения и взаимодействия световых волн», — поясняет ведущий исследователь Марко Леонетти (Marco Leonetti). По его словам, в рамках данной системы фотоны перестают быть просто средством передачи данных, трансформируясь в активные «нейроны памяти».
Квантовая интерференция позволяет волновым функциям фотонов суммироваться, взаимно усиливая или ослабляя друг друга. Благодаря этому механизму внутри фотонного чипа формируются устойчивые конфигурации взаимодействий. Это дает системе возможность распознавать и восстанавливать целостную информацию по неполным или зашумленным входным сигналам, подобно тому как работает ассоциативное мышление человека.
Эксперимент также позволил определить критический предел плотности данных, которые способна хранить такая система. «При умеренных нагрузках квантовая когерентность обеспечивает безошибочную регенерацию памяти, — отмечает первый автор публикации Дженнаро Дзянфардино (Gennaro Zanfardino) из Университета Саленто (University of Salento). — Однако при достижении определенного порога плотности информации система переходит в состояние хаоса, утрачивая способность к восстановлению данных».
Этот режим описывается физическим термином «спиновое стекло» — специфическое состояние неупорядоченных систем, где внутренние связи становятся хаотичными. В такой фазе механизмы ассоциативной памяти блокируются, делая извлечение полезного сигнала практически невозможным.
Соавтор изыскания Лука Леуцци (Luca Leuzzi) подчеркивает, что полученные результаты открывают новые горизонты для применения фотоники в области ИИ. Перспективные устройства на базе света могут обеспечить колоссальную производительность при кратно меньшем энергопотреблении в сравнении с современными дата-центрами.
Научная ценность работы выходит далеко за рамки компьютерных наук. Разработанная фотонная платформа служит инструментом для моделирования сложнейших неупорядоченных систем, расчет которых не под силу классическим суперкомпьютерам. Данное направление тесно связано с теорией спиновых стекол, за изучение которых соавтор исследования Джорджо Паризи (Giorgio Parisi) был удостоен Нобелевской премии по физике в 2021 году.
«Мы продемонстрировали, что принципы энтропии и беспорядка, характерные для классической физики, проявляются и в квантовых оптических цепях», — резюмирует директор Cnr-Nanotec Фабрицио Иллюминати (Fabrizio Illuminati). По его мнению, свет в подобных установках становится своего рода «микроскопической лабораторией» для изучения фундаментальных процессов, управляющих биологическими и искусственными сетями.
В долгосрочной перспективе эти наработки могут стать фундаментом для создания энергоэффективных квантово-фотонных вычислителей, где хранение и обработка информации будут осуществляться непосредственно на уровне физического взаимодействия световых частиц.
Источник: iXBT
